Grandes aglomerados de galáxias contêm matéria escura e normal. A imensa gravidade de todo esse material distorce o espaço ao redor do aglomerado, fazendo com que a luz dos objetos localizados atrás do aglomerado seja distorcida e ampliada. Este fenômeno é chamado de lente gravitacional. NASA / ESA Quase um século depois que a matéria escura foi proposta pela primeira vez para explicar o movimento dos aglomerados de galáxias, os físicos ainda não têm ideia do que é feito.
Pesquisadores de todo o mundo construíram dezenas de detectores na esperança de descobrir matéria escura. Como estudante de graduação, Eu ajudei a projetar e operar um desses detectores, apropriadamente denominado HAYSTAC (Haloscope At Yale Sensitive To Axion CDM). Mas apesar de décadas de esforço experimental, os cientistas ainda não identificaram a partícula de matéria escura.
Agora, a busca pela matéria escura recebeu uma assistência improvável da tecnologia usada na pesquisa de computação quântica. Em um novo artigo publicado na revista Nature, meus colegas da equipe HAYSTAC e eu descrevemos como usamos um pouco de truque quântico para dobrar a taxa em que nosso detector pode pesquisar matéria escura. Nosso resultado adiciona um aumento de velocidade muito necessário para a busca por esta partícula misteriosa.
Ex-pós-doutoranda em Yale Danielle Speller, que agora é professor assistente na Universidade Johns Hopkins, documenta o processo de montagem do detector HAYSTAC. Sid Cahn
Existem evidências convincentes da astrofísica e da cosmologia de que uma substância desconhecida chamada matéria escura constitui mais de 80 por cento da matéria no universo. Os físicos teóricos propuseram dezenas de novas partículas fundamentais que poderiam explicar a matéria escura. Mas para determinar qual - se alguma - dessas teorias está correta, os pesquisadores precisam construir detectores diferentes para testar cada um.
Uma teoria proeminente propõe que a matéria escura é feita de partículas ainda hipotéticas chamadas axions que coletivamente se comportam como uma onda invisível oscilando em uma freqüência muito específica através do cosmos. Os detectores Axion - incluindo HAYSTAC - funcionam como receptores de rádio, mas em vez de converter ondas de rádio em ondas sonoras, eles visam converter as ondas axion em ondas eletromagnéticas. Especificamente, Os detectores de axion medem duas grandezas chamadas quadraturas de campo eletromagnético. Essas quadraturas são dois tipos distintos de oscilação na onda eletromagnética que seriam produzidas se existissem axions.
O principal desafio na busca por axions é que ninguém sabe a frequência da onda de axions hipotética. Imagine que você está em uma cidade desconhecida em busca de uma estação de rádio específica, trabalhando na banda FM, uma frequência de cada vez. Os caçadores de Axion fazem praticamente a mesma coisa:sintonizam seus detectores em uma ampla faixa de frequências em passos discretos. Cada etapa pode abranger apenas uma faixa muito pequena de frequências axion possíveis. Este pequeno intervalo é a largura de banda do detector.
Sintonizar um rádio normalmente envolve uma pausa de alguns segundos em cada etapa para ver se você encontrou a estação que está procurando. Isso é mais difícil se o sinal for fraco e houver muita estática. Um sinal de axion - mesmo nos detectores mais sensíveis - seria extraordinariamente fraco em comparação com a estática de flutuações eletromagnéticas aleatórias, que os físicos chamam de ruído. Quanto mais barulho houver, quanto mais tempo o detector deve permanecer em cada etapa de sintonia para ouvir um sinal axion.
Infelizmente, os pesquisadores não podem contar com a captação do axion transmitido após algumas dezenas de voltas do dial do rádio. Um rádio FM sintoniza de apenas 88 a 108 megahertz (1 megahertz equivale a 1 milhão de hertz). A frequência axion, por contraste, pode estar em qualquer lugar entre 300 hertz e 300 bilhões de hertz. No ritmo que os detectores de hoje estão indo, encontrar o áxion ou provar que ele não existe pode levar mais de 10, 000 anos.
Na equipe HAYSTAC, não temos esse tipo de paciência. Então, em 2012, decidimos acelerar a busca dos áxions fazendo todo o possível para reduzir o ruído. Mas, em 2017, nos deparamos com um limite mínimo de ruído fundamental por causa de uma lei da física quântica conhecida como princípio da incerteza.
O princípio da incerteza afirma que é impossível saber os valores exatos de certas quantidades físicas simultaneamente - por exemplo, você não pode saber a posição e o momento de uma partícula ao mesmo tempo. Lembre-se de que os detectores de axion procuram o axion medindo duas quadraturas - aqueles tipos específicos de oscilações de campo eletromagnético. O princípio da incerteza proíbe o conhecimento preciso de ambas as quadraturas, adicionando uma quantidade mínima de ruído às oscilações da quadratura.
Em detectores axion convencionais, o ruído quântico do princípio da incerteza obscurece ambas as quadraturas igualmente. Este ruído não pode ser eliminado, mas com as ferramentas certas pode ser controlado. Nossa equipe descobriu uma maneira de embaralhar o ruído quântico no detector HAYSTAC, reduzindo seu efeito em uma quadratura enquanto aumenta seu efeito na outra. Essa técnica de manipulação de ruído é chamada de compressão quântica.
Em um esforço liderado pelos alunos de graduação Kelly Backes e Dan Palken, a equipe HAYSTAC assumiu o desafio de implementar compressão em nosso detector, usando tecnologia de circuito supercondutor emprestada de pesquisas de computação quântica. Computadores quânticos de uso geral ainda estão muito longe, mas nosso novo artigo mostra que essa tecnologia de compressão pode acelerar imediatamente a busca por matéria escura.
A estudante de graduação de Yale Kelly Backes e o ex-estudante de graduação do Colorado Dan Palken montam peças da configuração do estado squeeze. Sid Cahn
Nossa equipe conseguiu reduzir o ruído no detector HAYSTAC. Mas como usamos isso para acelerar a busca do axion?
A compressão quântica não reduz o ruído uniformemente em toda a largura de banda do detector axion. Em vez de, tem o maior efeito nas bordas. Imagine que você sintoniza seu rádio em 88,3 megahertz, mas a estação que você deseja está em 88,1. Com compressão quântica, você seria capaz de ouvir sua música favorita tocando a uma estação de distância.
No mundo da radiodifusão, isso seria uma receita para o desastre, porque estações diferentes interfeririam umas nas outras. Mas com apenas um sinal de matéria escura para procurar, uma largura de banda mais ampla permite que os físicos pesquisem com mais rapidez, cobrindo mais frequências de uma vez. Em nosso último resultado, usamos a compressão para dobrar a largura de banda do HAYSTAC, permitindo-nos procurar axions duas vezes mais rápido do que podíamos antes.
A compressão quântica por si só não é suficiente para varrer todas as frequências axion possíveis em um tempo razoável. Mas dobrar a taxa de varredura é um grande passo na direção certa, e acreditamos que outras melhorias em nosso sistema de compressão quântica podem nos permitir digitalizar 10 vezes mais rápido.
Ninguém sabe se os axions existem ou se resolverão o mistério da matéria escura; mas, graças a esta aplicação inesperada da tecnologia quântica, estamos um passo mais perto de responder a essas perguntas.
Benjamin Brubaker é pós-doutorado em física quântica na University of Colorado Boulder.
Este artigo foi republicado de A conversa sob uma licença Creative Commons. Você pode encontrar o artigo original aqui .
